Асимметричное гидрирование — это химическая реакция, которая добавляет два атома водорода к целевой молекуле (субстрату) с трехмерной пространственной селективностью . Что особенно важно, эта селективность исходит не от самой целевой молекулы, а от других реагентов или катализаторов, присутствующих в реакции. Это позволяет пространственной информации (то, что химики называют хиральностью ) передаваться от одной молекулы к цели, образуя продукт в виде одного энантиомера . Хиральная информация чаще всего содержится в катализаторе, и в этом случае информация в одной молекуле катализатора может передаваться многим молекулам субстрата, усиливая количество присутствующей хиральной информации. Похожие процессы происходят в природе, где хиральная молекула, такая как фермент, может катализировать введение хирального центра, чтобы дать продукт в виде одного энантиомера, такого как аминокислоты , которые необходимы клетке для функционирования. Имитируя этот процесс, химики могут генерировать много новых синтетических молекул, которые взаимодействуют с биологическими системами определенным образом, что приводит к появлению новых фармацевтических агентов и агрохимикатов . Важность асимметричного гидрирования как в академических кругах, так и в промышленности способствовала тому, что двое его пионеров — Уильям Стэндиш Ноулз и Рёдзи Ноёри — были совместно удостоены половины Нобелевской премии по химии 2001 года . [1]
В 1956 году было показано, что гетерогенный катализатор, изготовленный из палладия, нанесенного на шелк, осуществляет асимметричное гидрирование. [2] Позднее, в 1968 году, группы Уильяма Ноулза и Леопольда Хорнера независимо друг от друга опубликовали примеры асимметричного гидрирования с использованием гомогенных катализаторов . Хотя эти ранние реакции демонстрировали лишь скромные энантиомерные избытки , они продемонстрировали осуществимость. К 1972 году был достигнут энантиомерный избыток в 90%, и с использованием этой технологии начался первый промышленный синтез препарата от болезни Паркинсона L-DOPA . [3] [4]
Область асимметричного гидрирования продолжала переживать ряд заметных достижений. Анри Каган разработал DIOP , легко приготовляемый C 2 -симметричный дифосфин, который давал высокие ee в определенных реакциях. Рёдзи Ноёри представил катализаторы на основе рутения для асимметричных гидрированных полярных субстратов, таких как кетоны и альдегиды. Роберт Х. Крэбтри продемонстрировал способность соединений иридия катализировать реакции асимметричного гидрирования в 1979 году, изобретя катализатор Крэбтри . [5] В начале 1990-х годов введение лигандов P,N несколькими группами независимо затем еще больше расширило область применения C 2 -симметричных лигандов, хотя они принципиально не превосходят хиральные лиганды, не обладающие вращательной симметрией . [6]
Сегодня асимметричное гидрирование является рутинной методологией в лабораторной и промышленной органической химии. Важность асимметричного гидрирования была признана Нобелевской премией по химии 2001 года, присужденной Уильяму Стэндишу Ноулзу и Рёдзи Ноёри .
Асимметричные гидрирования работают по обычным механизмам, используемым для других гидрирований. Это включает механизмы внутренней сферы, механизмы внешней сферы и механизмы метатезиса σ-связей. [7] Тип механизма, используемого катализатором, во многом зависит от лигандов, используемых в системе, что, в свою очередь, приводит к определенным сродствам катализатора к субстрату.
Так называемый механизм внутренней сферы подразумевает координацию алкена с металлическим центром. [8] Другие характеристики этого механизма включают тенденцию к гомолитическому расщеплению дигидрогена, когда присутствуют более богатые электронами, низковалентные металлы, в то время как бедные электронами, высоковалентные металлы обычно демонстрируют гетеролитическое расщепление дигидрогена с помощью основания. [9]
На схеме ниже показаны целевые механизмы каталитического гидрирования с комплексами родия , которые являются механизмами внутренней сферы. В ненасыщенном механизме образующийся хиральный продукт будет иметь противоположный режим по сравнению с используемым катализатором. В то время как термодинамически благоприятный комплекс между катализатором и субстратом не может подвергаться гидрированию, нестабильный, неблагоприятный комплекс быстро подвергается гидрированию. [10] С другой стороны, дигидридный механизм рассматривает комплекс изначально гидрированным до дигидридной формы. Это впоследствии позволяет координировать двойную связь на незатрудненной стороне. Благодаря вставке и восстановительному элиминированию хиральность продукта соответствует хиральности лиганда. [11]
Предпочтительность получения одного энантиомера вместо другого в этих реакциях часто объясняется в терминах стерических взаимодействий между лигандом и прохиральным субстратом. Рассмотрение этих взаимодействий привело к разработке квадрантных диаграмм, где «заблокированные» области обозначены затененным квадратом, в то время как «открытые» области остаются незаполненными. В моделируемой реакции большие группы на входящем олефине будут стремиться ориентироваться, чтобы заполнить открытые области диаграммы, в то время как меньшие группы будут направлены в заблокированные области, и затем подача водорода будет происходить на заднюю поверхность олефина, фиксируя стереохимию . Обратите внимание, что для ясности показана только часть хирального фосфинового лиганда.
Некоторые катализаторы работают по «механизмам внешней сферы», так что субстрат никогда не связывается напрямую с металлом, а взаимодействует с его лигандами, которые часто представляют собой гидрид металла и протонный водород на лиганде. Таким образом, в большинстве случаев дигидроген расщепляется гетеролитически, причем металл действует как кислота Льюиса, а внешнее или внутреннее основание «депротонирует» гидрид. [7]
В качестве примера этого механизма можно рассмотреть систему BINAP-Ru-диамин. Дигалогенидная форма катализатора преобразуется в катализаторы реакцией H 2 в присутствии основания: [12]
Полученные катализаторы имеют три вида лигандов:
Катализаторы «класса Нойори» часто называют бифункциональными катализаторами, чтобы подчеркнуть тот факт, что и металл, и лиганд (амин) являются функциональными. [13]
При гидрировании субстратов, содержащих C=O, долгое время предполагалось, что механизм работает посредством шестичленного перициклического переходного состояния /промежуточного продукта, в котором гидридо-рутениевый гидридный центр ( HRu -N H ) взаимодействует с карбонильным субстратом R 2 C = O . [14] Более поздние DFT и экспериментальные исследования показали, что эта модель в значительной степени неверна. Вместо этого аминная основа сильно взаимодействует с базовым активатором, который часто используется в большом избытке. [12] Однако в обоих случаях субстрат не связывается напрямую с металлическим центром, что делает его прекрасным примером механизма внешней сферы.
Практические AH используют катализаторы на основе платиновых металлов. [15] [16] [17]
Железо является популярной целью исследований для многих каталитических процессов, в основном из-за его низкой стоимости и низкой токсичности по сравнению с другими переходными металлами. [18] Были реализованы методы асимметричного гидрирования с использованием железа, хотя с точки зрения скоростей и селективности они уступают катализаторам на основе драгоценных металлов. [19] В некоторых случаях структурно плохо определенные наночастицы оказались активными частицами in situ , и наблюдаемая скромная селективность может быть результатом их неконтролируемой геометрии. [20]
Хиральные фосфиновые лиганды, особенно C 2 -симметричные лиганды , являются источником хиральности в большинстве асимметричных катализаторов гидрирования. Из них лиганд BINAP хорошо известен в результате его применения в асимметричном гидрировании Нойори , за которое он получил Нобелевскую премию . [3]
Хиральные фосфиновые лиганды можно в целом классифицировать как моно- или бидентатные . Их можно дополнительно классифицировать в соответствии с расположением стереогенного центра – фосфора против органических заместителей. Лиганды с элементом симметрии C 2 были особенно популярны, отчасти потому, что присутствие такого элемента резко снижает возможные конформации связывания субстрата с комплексом металл-лиганд (часто приводя к исключительной энантиоселективности). [21]
Лиганды типа монофосфина были одними из первых, которые появились в асимметричном гидрировании, например, лиганд CAMP. [22] Продолжение исследований этих типов лигандов изучило как лиганды, связанные с P -алкилом, так и лиганды, связанные с P -гетероатомом, причем лиганды с P -гетероатомом, такие как фосфиты и фосфорамидиты, как правило, достигают более впечатляющих результатов. [23] Структурные классы лигандов, которые были успешными, включают те, которые основаны на бинафтильной структуре MonoPHOS [24] или спирокольцевой системе SiPHOS. [25] Примечательно, что эти монодентатные лиганды могут использоваться в сочетании друг с другом для достижения синергического улучшения энантиоселективности; [26] что невозможно с дифосфиновыми лигандами . [23]
Дифосфиновые лиганды получили значительно больше внимания, чем монофосфины, и, возможно, как следствие, имеют гораздо более длинный список достижений. Этот класс включает первый лиганд, достигший высокой селективности ( DIOP ), первый лиганд, который использовался в промышленном асимметричном синтезе ( DIPAMP [27] [28] [4] ) и, вероятно, самый известный хиральный лиганд (BINAP). [3] Хиральные дифосфиновые лиганды теперь повсеместно используются в асимметричном гидрировании.
Использование лигандов P,N в асимметричном гидрировании можно проследить до симметричного бисоксазолинового лиганда C 2 . [29] Однако эти симметричные лиганды вскоре были вытеснены монооксазолиновыми лигандами , отсутствие симметрии C 2 которых никоим образом не ограничивает их эффективность в асимметричном катализе. [30] Такие лиганды обычно состоят из ахирального азотсодержащего гетероцикла, функционализированного с помощью подвешенного фосфорсодержащего плеча, хотя как точная природа гетероцикла, так и химическое окружение фосфорного центра сильно различались. Ни одна структура не оказалась последовательно эффективной с широким диапазоном субстратов, хотя были установлены некоторые привилегированные структуры (например, архитектура фосфин-оксазолин или PHOX ). [31] [30] [32] Более того, в пределах узко определенного класса субстратов производительность металлических комплексов с хиральными лигандами P,N может близко приближаться к идеальной конверсии и селективности в системах, которые в противном случае было бы очень трудно нацелить. [33] Некоторые комплексы, полученные из хелатирующих лигандов PO, показали многообещающие результаты в гидрировании α,β-ненасыщенных кетонов и эфиров. [34]
Простые лиганды на основе N -гетероциклических карбенов (NHC) оказались непрактичными для асимметричного гидрирования.
Некоторые лиганды C,N объединяют NHC с хиральным оксазолином, образуя хелатирующий лиганд. [35] [36] Лиганды на основе NHC первого типа были получены в виде больших библиотек из реакции меньших библиотек отдельных NHC и оксазолинов. [35] [36] Катализаторы на основе NHC, характеризующиеся громоздким семичленным металлоциклом на иридии, были применены для каталитического гидрирования нефункционализированных олефинов [35] и винилэфирных спиртов с конверсиями и ее в высоких 80-х или 90-х годах. [37] Та же система была применена для синтеза ряда альдольных, [38] вицинальных диметиловых [39] и дезоксиполикетидных [40] мотивов, а также для самих дезоксиполикетидов. [41]
C 2 -симметричные NHC показали себя как очень полезные лиганды для асимметричного гидрирования. [42]
Субстраты можно классифицировать по их полярности. Среди неполярных субстратов преобладают алкены . Среди полярных субстратов — кетоны , енамины и кетимины .
[43]
Алкены, которые особенно поддаются асимметричному гидрированию, часто имеют полярную функциональную группу, смежную с местом гидрирования. При отсутствии этой функциональной группы катализ часто приводит к низким ee. Однако для некоторых нефункционализированных олефинов иридий с лигандами на основе P , N оказался эффективным. Субстраты алкенов часто классифицируются в соответствии с их заместителями, например, 1,1-дизамещенные, 1,2-диарилтризамещенные, 1,1,2-триалкил и тетразамещенные олефины. [44] [45] и даже внутри этих классов могут существовать вариации, которые делают различные решения оптимальными. [46]
В противоположность случаю олефинов, асимметричное гидрирование енаминов благоприятствует лигандам дифосфинового типа; отличные результаты были достигнуты с системами на основе как иридия, так и родия. Однако даже лучшие системы часто страдают от низких ee и отсутствия общности. Некоторые енамины ароматических кетонов, полученные из пирролидина, поддаются асимметричному гидрированию с катионными системами фосфонита родия(I), а также с системой I2 и уксусной кислоты со значениями ee обычно выше 90% и потенциально до 99,9%. [47] Похожая система с использованием иридия(I) и очень близкородственного лиганда фосфорамидита эффективна для асимметричного гидрирования енаминов пирролидинового типа, где двойная связь находится внутри кольца: другими словами, дигидропирролов. [48] В обоих случаях энантиоселективность существенно снизилась при увеличении размера кольца с пяти до шести.
Кетоны и имины являются родственными функциональными группами, и эффективные технологии асимметричного гидрирования каждого из них также тесно связаны. Ранние примеры — это рутений-хиральная дифосфин-диаминовая система Нойори. [49] [50]
Для карбонильных и иминных субстратов координация end-on η 1 может конкурировать с модой η 2. Для субстратов, связанных с η 1 , водород-акцепторный углерод удаляется из катализатора и сопротивляется гидрированию. [51]
Системы на основе лиганда иридия/P,N оказались эффективными для некоторых кетонов и иминов. Например, последовательная система для бензильных арилиминов использует лиганд P,N SIPHOX в сочетании с иридием(I) в катионном комплексе для достижения асимметричного гидрирования с ee >90%. [52] Эффективным катализатором для кетонов ( число оборотов (TON) до 4 550 000 и ee до 99,9%) является система иридия(I) с близкородственным тридентатным лигандом . [53]
Катализатор BINAP/диамин-Ru эффективен для асимметричного восстановления как функционализированных, так и простых кетонов [54], а катализатор BINAP/диамин-Ru может катализировать ароматические , гетероароматические и олефиновые кетоны энантиоселективно. [55] Лучшая стереоселективность достигается, когда один заместитель больше другого (см. угол Флиппина-Лоджа ).
Асимметричное гидрирование ароматических (особенно гетероароматических ) субстратов является очень активной областью текущих исследований. Катализаторы в этой области должны бороться с рядом осложняющих факторов, включая тенденцию высокостабильных ароматических соединений противостоять гидрированию, потенциальные координационные (и, следовательно, отравляющие катализатор) способности как субстрата, так и продукта, а также большое разнообразие в схемах замещения, которые могут присутствовать в любом одном ароматическом кольце. [56] Из этих субстратов наиболее последовательный успех был замечен с азотсодержащими гетероциклами, где ароматическое кольцо часто активируется либо протонированием, либо дальнейшей функционализацией азота (обычно с помощью электроноакцепторной защитной группы). Такие стратегии менее применимы к кислород- и серосодержащим гетероциклам, поскольку они являются и менее основными, и менее нуклеофильными; эта дополнительная трудность может помочь объяснить, почему существует мало эффективных методов их асимметричного гидрирования.
Существуют две системы для асимметричного гидрирования 2-замещенных хинолинов с изолированными выходами, как правило, более 80%, и значениями ee, как правило, более 90%. Первая — это система иридий(I)/хиральный фосфин/I 2 , впервые описанная Чжоу и др . [57] Хотя первым хиральным фосфином, использованным в этой системе, был MeOBiPhep, более новые итерации были сосредоточены на улучшении характеристик этого лиганда. С этой целью системы используют фосфины (или родственные лиганды) с улучшенной стабильностью на воздухе, [58] пригодностью для вторичной переработки, [58] простотой приготовления, [59] более низкой загрузкой катализатора [60] [61] и потенциальной ролью ахиральных фосфиновых добавок. [62] По состоянию на октябрь 2012 года, по-видимому, не было предложено никакого механизма, хотя были задокументированы как необходимость I 2 или суррогата галогена, так и возможная роль гетероароматического N в содействии реакционной способности. [56]
Вторая — это система органокаталитического переноса гидрирования на основе эфиров Ганча и хиральной кислоты Бренстеда . В этом случае авторы предполагают механизм, в котором изохинолин поочередно протонируется на этапе активации, а затем восстанавливается путем сопряженного присоединения гидрида из эфира Ганча. [63]
Большая часть химии асимметричного гидрирования хиноксалинов тесно связана с химией структурно подобных хинолинов . Эффективные (и действенные) результаты могут быть получены с помощью системы Ir(I)/фосфинит/I 2 [64] и органокаталитической системы на основе эфира Ганца [65], обе из которых похожи на системы, обсуждавшиеся ранее в отношении хинолинов.
Пиридины являются весьма изменчивыми субстратами для асимметричного восстановления (даже по сравнению с другими гетероароматическими соединениями), в том смысле, что пять углеродных центров доступны для дифференциального замещения на начальном кольце. По состоянию на октябрь 2012 года, похоже, не существует метода, который мог бы контролировать все пять, хотя существует по крайней мере один достаточно общий метод.
Наиболее общий метод асимметричного гидрирования пиридина на самом деле является гетерогенным методом, где асимметрия генерируется из хирального оксазолидинона, связанного с положением C2 пиридина. Гидрирование таких функционализированных пиридинов над рядом различных гетерогенных металлических катализаторов дало соответствующий пиперидин с заместителями в положениях C3, C4 и C5 в геометрии all- cis , с высоким выходом и превосходной энантиоселективностью. Вспомогательное вещество оксазолидинон также удобно расщепляется в условиях гидрирования. [66]
Методы, разработанные специально для гидрирования 2-замещенных пиридинов, могут включать асимметричные системы, разработанные для родственных субстратов, таких как 2-замещенные хинолины и хиноксалины. Например, система иридий(I)\хиральный фосфин\I 2 эффективна при асимметричном гидрировании активированных (алкилированных) 2-пиридиний [67] или некоторых циклогексанон-конденсированных пиридинов. [68] Аналогично, хиральный катализ кислотой Бренстеда с эфиром Ганца в качестве источника гидрида эффективен для некоторых 2-алкилпиридинов с дополнительным активирующим замещением. [69]
Асимметричное гидрирование индолов было установлено с защитой N -Boc . [70]
Система Pd(TFA) 2 /H8-BINAP обеспечивает энантиоселективное цис- гидрирование 2,3- и 2-замещенных индолов. [71] [72]
Подобно поведению индолов, пирролы могут быть преобразованы в пирролидины путем асимметричного гидрирования. [73]
Асимметричное гидрирование фуранов и бензофуранов является сложной задачей. [74]
Асимметричное гидрирование тиофенов и бензотиофенов катализируется некоторыми комплексами рутения (II) N -гетероциклических карбенов (NHC). Эта система, по-видимому, обладает превосходной селективностью (ee > 90%) и идеальной диастереоселективностью (все цис ), если субстрат имеет конденсированное (или напрямую связанное) фенильное кольцо, но дает только рацемический продукт во всех других протестированных случаях. [75]
Ни один гетерогенный катализатор для асимметрического гидрирования не был коммерциализирован.
Первая асимметричная гидрогенизация была сосредоточена на палладии, нанесенном на шелковую подложку. Алкалоиды хинного дерева использовались в качестве хиральных модификаторов для энантиоселективной гидрогенизации. [76]
Альтернативным методом, который позволяет лучше контролировать структурные и электронные свойства активных каталитических участков, является иммобилизация катализаторов, которые были разработаны для гомогенного катализа на гетерогенной подложке. Ковалентное связывание катализатора с полимером или другим твердым носителем, возможно, является наиболее распространенным, хотя иммобилизация катализатора может также быть достигнута путем адсорбции на поверхности, ионного обмена или даже физической инкапсуляции. Одним из недостатков этого подхода является потенциальная возможность того, что близость носителя изменит поведение катализатора, снижая энантиоселективность реакции. Чтобы избежать этого, катализатор часто связывают с носителем длинным линкером, хотя известны случаи, когда близость носителя может фактически улучшить производительность катализатора. [76]
Окончательный подход включает в себя построение MOF, которые включают хиральные реакционные центры из ряда различных компонентов, потенциально включая хиральные и ахиральные органические лиганды, структурные ионы металлов, каталитически активные ионы металлов и/или предварительно собранные каталитически активные органометаллические ядра. [77] Один из них включал катализаторы на основе рутения . Всего лишь 0,005 мол.% таких катализаторов оказалось достаточно для достижения асимметричного гидрирования арилкетонов, хотя обычные условия включали 0,1 мол.% катализатора и приводили к энантиомерному избытку 90,6–99,2%. [78]
Асимметричное гидрирование используется в производстве нескольких лекарственных препаратов, таких как антибактериальный левофлоксин, антибиотик карбапенем и антипсихотическое средство BMS181100. [15] [16] [17]
Исследования Ноулза в области асимметричного гидрирования и его применения в синтезе L-Dopa в промышленных масштабах [4] дали асимметричному гидрированию мощный старт в промышленном мире. Обзор 2001 года показал, что асимметричное гидрирование составило 50% производственных масштабов, 90% пилотных масштабов и 74% лабораторных каталитических, энантиоселективных процессов в промышленности, с оговоркой, что асимметричные каталитические методы в целом еще не получили широкого распространения. [79]
Асимметричное гидрирование заменило методы, основанные на кинетическом разделении, что привело к существенному повышению эффективности процесса. [12] можно увидеть в ряде конкретных случаев, когда, например, Roche Catalysis Group смогла достичь синтеза ( S , S )-Ro 67-8867 с общим выходом 53%, что является резким увеличением по сравнению с 3,5%, достигнутыми в синтезе, основанном на разделении. [80] Синтез мибефрадила компанией Roche был также улучшен путем замены разделения асимметричным гидрированием, что сократило количество стадий на три и увеличило выход ключевого промежуточного продукта до 80% с исходных 70%. [81]
Катализаторы гидрирования, разработанные по методу Нойори, были применены для коммерческого синтеза ряда тонких химикатов. (R)-1,2-пропандиол, предшественник антибактериального левофлоксацина , может быть эффективно синтезирован из гидроксиацетона с использованием асимметричного гидрирования по методу Нойори: [17]
Новые пути фокусируются на гидрогенизации (R)-метиллактата . [ 12]
Антибиотик карбапенем также получают с помощью асимметричного гидрирования Нойори через (2S,3R)-метил 2-(бензамидометил)-3-гидроксибутаноат, который синтезируют из рацемического метил 2-(бензамидометил)-3-оксобутаноата методом динамического кинетического разделения .
Антипсихотическое средство BMS 181100 синтезировано с использованием катализатора BINAP/диамин-Ru.